Tutkimus biopolttoaineen aumakuivauksesta

Transkriptio

1 Tutkimus biopolttoaineen aumakuivauksesta 1

2 Tutkimus biopolttoaineen aumakuivauksesta Turo Haikonen Kauppa- ja teollisuusministeriö on rahoittanut tämän julkaisun tuottamisen Copyright Motiva Oy,

3 Esipuhe Tutkimus biopolttoaineen aumakuivauksesta on Turo Haikosen opinnäyte Teknillisen korkeakoulun teollisuuden energiatekniikan ja talouden osastolla. Työn tilaajana on Kokkolan Voima Oy. Projekti toteutettiin välisenä aikana. Työn rahoittajina toimivat Kokkolan Voima Oy, kauppa- ja teollisuusministeriö Motiva Oy:n kautta, sekä Pohjolan Voima Oy. Diplomityö on puuenergian kuivauksen kannalta myös yleisempää merkitystä, joten tästä syystä se julkaistaan lähes alkuperäisessä muodossaan Motiva Oy:n julkaisusarjassa. Motiva Oy kiittää kaikkia osapuolia innovatiivisesta ja aktiivisesta osallistumisesta pilottihankkeeseen, joka antaa uutta tietoa kuivatustavoista, joilla parannetaan puuenergian lämpöarvoa. Samassa yhteydessä haluamme kiittää myös muita Kokkolan teollisuusalueen yrityksiä monipuolisesta toiminnasta energiatehokkuuden edistämisessä, josta oivana esimerkkinä on yritysten osallistuminen Energiansäästöviikon (v ja 2005) toteuttamiseen ja tapahtumiin. Helsingissä Juha Rautanen, tuotepäällikkö Motiva Oy 3

4 Alkusanat Tämä työ on tehty Teknillisellä korkeakoululla Kokkolan Voima Oy:lle. Työ on tehty välisenä aikana. Työn rahoittajina toimivat Kokkolan Voima Oy, Motiva sekä Pohjolan Voima Oy. Haluan kiittää työn ohjaajaa DI Henrik Holmbergia (TKK) asiantuntevista neuvoista sekä työn ohjauksesta. Kiitokset kuuluvat myös prof. Pekka Ahtilalle (TKK) erittäin mielenkiintoisesta diplomityön aiheesta sekä hänen ohjeistaan työn aikana. Erityisen kiitoksen ansaitsevat myös DI Mika Pantsu (TKK) rakentamastaan laboratoriolaitteesta sekä prof. Pekka Pirilä (TKK) kehittämästään vaakaohjelmasta. Lisäksi kiitän Ykspihlajan kaukolämpölaitoksen voimalaitospäällikköä Veli-Matti Tuliniemeä sekä muuta laitoksen henkilökuntaa saamastani avusta. Erityinen kiitos kuuluu läheisilleni, jotka kannustivat minua koko opiskeluni ajan sekä auttoivat jaksamaan vaikeinakin aikoina. Espoossa Turo Haikonen 4

5 Sisällysluettelo Esipuhe 3 Alkusanat 4 Sisällysluettelo 5 Symboliluettelo 7 1 Johdanto 9 2 Taustatutkimus biopolttoaineen aumakuivauksesta Hakkeen varastointi Hakkeen kuivumiseen ja kuiva-ainetappioihin vaikuttavia asioita Muut kuivattavat polttoaineet Johtopäätökset taustatutkimuksesta 12 3 Teoriaa biopolttoaineen kuivumisesta Biopolttoaineen kuivauksen edut Biopolttoaineen kosteuteen vaikuttavia tekijöitä Kostean ilman termodynamiikka Kosteus Kuivumismekanismi 17 4 Kokkolan Voima Oy:n kaukolämpölaitos Kaukolämpölaitoksen esittely Kaukolämpölaitoksen käyttö 21 5 Biopolttoaineen kuivauslaitteisto Biopolttoaineauma Polttoaineen käsittelyjärjestelmä Polttoaineen kuivausjärjestelmä Ilmanjakolaitteisto Lämmitysjärjestelmä 28 6 Biopolttoaineaumalle tehdyt mittaukset Kosteusnäytteiden määrittäminen Kostean pintakerroksen paksuuden selvittäminen Auman sisäosien lämpötilojen mittaus Auman lämpöarvo- ja tuhkapitoisuusnäytteet 34 7 Kuivauksen vaikutukset voimalaitoksen toimintaan Polttoaineen kerääminen aumaan Auman vesimäärän laskenta Auman vesimäärä kuivauksen jälkeen Auman vesimäärä ennen kuivausta Biopolttoaineen energiamäärän kasvu Kuivaukseen käytetty energia 40 5

6 7.5 Kuivauksen taloudellisuus 43 8 Kuivauskokeet laboratoriossa Johdanto Koelaitteisto Mittausten suoritus Tulokset Lämpötilan vaikutus Tilavuusvirran vaikutus Auman koon vaikutus Kosteusnäytteet Tulosten analysointi 56 9 Lisähavaintoja Kokkolan aumakuivurista Yhteenveto 59 Lähteet 61 Liitteet 64 6

7 Symboliluettelo A lämmönsiirtopinta-ala [m 2 ] A pk auman pintakerroksen pinta-ala [m 2 ] A x lohkon x pinta-ala [m 2 ] c ph vesihöyryn ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] c pi ilman ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] D kuivauspäivien lukumäärä [vrk] E lämpö kuivaukseen käytetty lämpöenergia [MWh] E nousu biopolttoaineen energiasisällön nousu [MWh] E om kuivauksen todellinen ominaislämmönkulutus [MWh] E p kiertopumpun kuluttama sähköenergia [MWh] E puh puhaltimien kuluttama sähköenergia [MWh] E x lohkossa x tapahtuva biopolttoaineen energiasisällön nousu [MWh] G päästö turpeen poltosta syntyvän hiilidioksidin päästökerroin = t/tj h c lämmönsiirtokerroin [W/m 2 C] h h vesihöyryn entalpia [kj/kg] h i kuivan ilman entalpia [kj/kg] h k kostean ilman entalpia [kj/kg k.i. ] K p aineensiirtokerroin [kg/sm 2 bar] I puhaltimien virta [A] L pk auman pintakerroksen syvyys [m] L x lohkon x pituus [m] l 25 veden höyrystymislämpö lämpötilassa 25 C = 2,443 MJ/kg M ka kuivauksen seurauksena säästyvän kuiva-aineen massa [t] M vesi aumassa oleva vesimäärä ennen kuivausta [t] m h ilmassa oleva vesihöyrymäärä [kg] m haihtunut aumasta haihtuneen veden massa kuivausjakson aikana [t] m ka aumassa kuivattavan biopolttoaineseoksen kuiva-aineen massa [t] m ka,hake hakkeen kuiva-aineen massa [t] m ka,ss sahojen sivutuotteiden kuiva-aineen massa [t] m k.i. ilmassa oleva kuivailmamäärä [kg] m kok auman massa ennen kuivausta [t] m kuiva polttoaineessa olevan kuiva-aineen massa [kg] m vesi polttoaineessa olevan veden massa [kg] m 1,x lohkossa x oleva vesimäärä ennen kuivausta [t] m 2,x lohkossa x oleva vesimäärä kuivauksen jälkeen [t] p ilman kokonaispaine [kpa] p h ja p s ilmassa olevan vesihöyryn osapaine [kpa] p h (T) kylläisen höyryn paine lämpötilassa T [kpa] p i ilmassa olevan kuivan ilman osapaine [kpa] p v vesihöyryn osapaine kuivauskaasussa [bar] biopolttoaineseoksen kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg] q ka 7

8 q ka,hake hakkeen kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg] q ka,ss sahojen sivutuotteiden kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg] r(t s ) veden höyrystymislämpö lämpötilassa t s [J/kg] t g kuivauskaasun lämpötila [ C] t s haihtumispinnan lämpötila [ C] U puhaltimien jännite [kv] u polttoaineen kosteussuhde [%] V x lohkon x tilavuus [m 3 ] w polttoaineen kosteus [%] w kk auman keskikosteus ennen kuivausta [%] w k,x lohkon x keskimääräinen kosteus kuivauksen jälkeen [%] x ilman absoluuttinen kosteus [kg H2O /kg k.i. ] α puhaltimien virran ja jännitteen välinen vaihekulma λ auman kuiva-ainetappio [%] ρ ka biopolttoaineen kuiva-aineen tiheys [kg/m 3 ] φ ilman suhteellinen kosteus [%] 8

9 1 Johdanto Biopolttoaineen kuivauksella on tarkoitus parantaa biopolttoaineen ominaisuuksia kuten lämpöarvoa ja käsiteltävyyttä. Lämpöarvon noustessa voidaan kattilaan syötettävän biopolttoaineen määrää pienentää saman polttoainetehon aikaansaamiseksi. Jos biopolttoainetta kuivataan voimalaitoksen piha-alueella esim. aumassa, voidaan talvella sekoittaa voimalaitokselle tulevaa kosteata polttoainetta piha-alueella kuivuneen biopolttoaineen kanssa. Tällöin saavutetaan voimalaitoksella talvellakin täyden tehon arvot. Lisäksi kuivemmalla biopolttoaineella palaminen tapahtuu täydellisemmin ja savukaasuissa olevan vesihöyrymäärän vähentyessä savukaasuhäviö pienenee. Savukaasumäärän vähentyessä pienenee myös savukaasupuhaltimen tehontarve. Tässä työssä biopolttoaineella tarkoitetaan hakkeen ja sahojen sivutuotteiden muodostamaa polttoaineseosta. Tämän työn tarkoituksena on tarkastella biopolttoaineen aumakuivauksen toimivuutta ja kannattavuutta Kokkolan Voima Oy:n kaukolämpölaitoksella. Voimalaitos (CHP) sijaitsee Kokkolassa Ykspihlajan teollisuusalueella ja sen kaukolämpöteho on 50 MW ja sähköteho 20 MW. Voimalaitoksen pihalla olevaa biopolttoaineaumaa kuivataan ilmalla, jonka lämpötila on 50 C. Ilman lämmityksessä käytetään hyväksi Kemiran rikkihappotehtaan sekundäärilämpöä. Tämä työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta, biopolttoaineen kuivauslaitteiston esittelystä, aumakuivauksen toimivuuden ja kannattavuuden arvioinnista sekä laboratoriossa suoritetuista kuivauskokeista. Kirjallisuuskatsauksen tarkoituksena oli selvittää biopolttoaineen aumassa kuivumiseen vaikuttavia tekijöitä sekä aumassa tapahtuvien kuiva-ainetappioiden suuruutta. Tutkimuksen kohteena oleva biopolttoaineen kuivaukseen käytetty laitteisto koostuu ilmakanavana toimivista merikonteista, kahdesta ilmapuhaltimesta, ilman lämmityslaitteistosta sekä kuljetinlaitteistosta, joka kasaa polttoaineen tasaisesti aumaan. Kustannustarkastelun lähtökohtana käytettiin kuivauksen seurauksena saavutettavaa biopolttoaineen energiasisällön nousua, joka laskettiin aumasta haihtuneen vesimäärän perusteella. Haihtunut vesimäärä määritettiin biopolttoaineaumasta otettujen kosteusnäytteiden perusteella. Biopolttoaineen energiasisällön nousulla korvataan turvetta, jonka käytön vähentyessä pienenevät voimalaitoksen CO 2 -päästöt. Kustannuslaskelmassa on myös huomioitu kuivauksen seurauksena säästyvän biopolttoaineen kuiva-ainemäärä. Työn aikana rakennettiin Kokkolan aumakuivurista pienoismalli laboratorioon, jossa suoritettujen kuivauskokeiden tarkoituksena oli tutkia kuivausilman lämpötilan ja tilavuusvirran sekä auman koon vaikutusta biopolttoaineen kuivumisaikaan aumassa. Tutkimuksissa käytettiin viittä eri kuivausilman lämpötilaa, kolmea eri kuivausilman tilavuusvirtaa sekä kolmea eri auman tilavuutta. 9

10 2 Taustatutkimus biopolttoaineen aumakuivauksesta Biopolttoaineen kuivumiseen ja hajoamiseen varastoinnin aikana vaikuttavat mm. varastoitavan materiaalin sisältämien ravinteiden määrä, auman happipitoisuus, materiaalin palakoko ja alkukosteus sekä auman muoto, koko ja lämpötila. Myös hapen, veden ja lämmön kulkeutuminen aumassa vaikuttavat. Jos polttoaine kuivataan alle 30 %:n kosteuteen, mikrobiologinen hajoaminen on vähäistä. Mikrobiologinen hajoaminen tapahtuu pääasiassa siis biopolttoaineen kosteuden ollessa yli 30 % sekä lämpötilan ollessa C. Kemiallinen hajoaminen puolestaan kiihtyy eksponentiaalisesti lämpötilan kasvaessa. [1] 2.1 Hakkeen varastointi Hakkeen kuivumista luonnossa on tutkittu jonkin verran, mutta isojen aumojen osalta tutkimuksia on tehty varsin vähän. Tämä johtunee siitä, että näissä harvoissa tutkimuksissa on yleensä päädytty siihen, että hakkeen luonnonkuivaus suuressa aumassa on kannattamatonta. Tämä johtuu siitä, että suuressa aumassa hake kuivuu auman sisäosissa, mutta kostuu entisestään auman ulko-osissa. Tämän seurauksena hakkeen keskimääräinen kosteus yleensä lisääntyy. Hakkeen keinokuivausta on lähinnä tutkittu pienemmän mittakaavan kohteissa kuten maatiloilla samoilla laitteilla kuin viljaa kuivataan Hakkeen kuivumiseen ja kuiva-ainetappioihin vaikuttavia asioita Auman muodolla ja korkeudella voidaan vaikuttaa kuivumiseen. Aumojen tulisi olla mahdollisimman korkeita ja kartion muotoisia tai teräväharjaisia. Auman korkeudella ei ole tutkimusten mukaan vaikutusta kostuneen pintakerroksen paksuuteen. Auman itsesyttymisriski kuitenkin kasvaa, sillä korkeamman auman sisäosien lämpötilat ovat suurempia. [2, 3] Auman peittämisellä muovilla on saavutettu huonoja tuloksia, sillä muovi estää kosteuden poistumista aumasta. Tällöin varastoitavan materiaalin kosteus lisääntyy ja kuivaainetappiot kasvavat. Auman sijoittaminen katoksen alle sen sijaan vähentää materiaalin kosteutta ja kuiva-ainetappioita. [4, 5] Hakkeen palakoko vaikuttaa siten, että suurikokoinen hake asettuu ilmavammin aumassa ja tällöin kuivuminen on tehokkaampaa kuin pienikokoisella hakkeella. Kuiva-ainetappiot ovat tehokkaamman kuivumisen ansiosta suurikokoisella hakkeella pienemmät. Lisäksi hakkeen palakoon pienentyessä puuaineksen pinta-ala kasvaa, jolloin homeille ja lahottajasienille altistuva ala suurenee. [6, 7] Hakkeen alkukosteus lisää kuiva-ainetappioita. Tutkimuksissa on todettu, että kuivaainetappiot ovat suoraan verrannollisia hakkeen alkukosteuteen. Mitä suurempi on alkukosteus, sitä suuremmat ovat kuiva-ainetappiot. [8] Hakemateriaali vaikuttaa myös kuiva-ainetappioihin. Tappiot ovat suurimmat puun vihermassassa, sitten kuoressa ja pienimmät sydänpuussa [9]. Puun kuori ja vihermassa sisältävät paljon typpeä, joka kiihdyttää lahottajasienten toimintaa. Vihermassassa ja kuoressa on lisäksi runsaasti elävää solumassaa, jonka hengitysprosessit kuluttavat puun ravinteita ja hajot- 10

11 tavat puuainesta. Elävä solumassa sisältää lisäksi paljon vettä, mikä on edellytyksenä homeiden ja sienien kasvulle. Varastoinnin aikana kuoritusta puusta tehdyllä hakkeella kuivaainetappiot ovat merkittävästi pienemmät kuin esim. kokopuu- ja hakkuutähdehakkeella. [2, 8] Lämpötilan vaikutusta kuiva-ainetappioihin on tutkittu Ruotsissa haapahakkeen avulla. Tutkimusten mukaan lämpötilan ollessa 0 C kuiva-ainetappiot ovat hyvin pienet. Lämpötilan ollessa 30 C kuiva-ainetappiot ovat 1,2 % kuukaudessa ja lämpötilassa 40 C tappiot ovat 1,7 % kuukaudessa. Lämpötilan noustessa kuiva-ainetappioiden määrä lisääntyy, mutta kuivaainetappiot eivät ole suoraan verrannollisia lämpötilaan. Lahottajasienien kasvulle optimaalinen lämpötila-alue on C. Lämpötilan kehitykseen aumassa vaikuttavat erityisesti hakkeen alkukosteus sekä palakoko. [8] Tutkimusten mukaan varastointiaika vaikuttaa siten, että kuiva-ainetappiot ovat suurimmat ensimmäisen varastointikuukauden aikana. [9] Kuiva-ainetappioihin vaikuttaa lisäksi auman tiivistäminen. Tutkimusten tulokset ovat hyvin ristiriitaisia, sillä toisten tutkimusten mukaan tiivistäminen on edullista ja toisten mukaan haitallista. Tiiviissä aumassa ilma ei pääse kiertämään yhtä hyvin kuin tiivistämättömässä ja tällöin kuivuminen hidastuu ja kuiva-ainetappiot lisääntyvät. Toisaalta tiivistetyssä aumassa lämpötila ei kohoa niin korkeaksi kuin tiivistämättömässä, jolloin kuiva-ainetappioiden määrä pienenee. Tiivistämisen kokonaisvaikutusta kuiva-ainetappioiden suuruuteen on vaikea todentaa. Tiivistetyn auman itsesyttymisriski on kuitenkin pienempi kuin tiivistämättömän auman matalamman lämpötilan johdosta. [6, 8] 2.2 Muut kuivattavat polttoaineet Kuorella tehdyistä tutkimuksista on saatavilla vähän tietoa. Ruotsalaiset ovat tutkineet peittämisen vaikutusta kuorivaraston kuivumiseen sekä kuivatun kuoren varastointia ilmastoidussa aumassa. Tutkimusten mukaan auman peittäminen lisää mikrobitoimintaa sekä kuivaainetappioita. Kuivatun kuorivaraston tutkimuksista käy ilmi, että ilmastoinnin avulla auman lämpötila pysyy alhaisena. Tällöin mikrobitoiminta on vähäisempää ja kosteus ei tiivisty auman yläosiin. Kuori kuivuu kuitenkin hitaammin alhaisemman lämpötilan takia, mutta valmiiksi kuivatun kuoren kuiva-ainepitoisuus voidaan ylläpitää. [10] Sahanpurun aumakuivumisessa ei materiaalin yksikkökoolla ole juurikaan merkitystä, sillä puru on luonnostaan hyvin pienikokoista. Auman muodolla ja materiaalin alkukosteudella on luultavasti samanlainen merkitys kuin haketta varastoitaessa. Lämpötila ei nouse puruaumassa yhtä korkeaksi, sillä puru asettuu hyvin tiiviisti aumassa. Lisäksi purun varastointikokeiden perusteella voidaan sanoa, että purun kuivuminen ei ole pitkäaikaisessa aumavarastoinnissa yhtä nopeaa kuin hakkeen tai kuoren. Sahanpurun tutkimuksissa havaittiin myös kuiva-aineen tehollisen lämpöarvon laskua, mikä aiheutuu aumassa tapahtuvista kuivaainetappioista. [11] 11

12 2.3 Johtopäätökset taustatutkimuksesta Taustatutkimuksen perusteella Kokkolan aumassa tapahtuvien kuiva-ainetappioiden suuruutta on vaikea arvioida. Ruotsalaisten tutkimusten mukaan ovat hakkeen kuiva-ainetappiot tuulettamattomassa aumassa ensimmäisien 1 2 kuukauden aikana 2 5 %/kk ja sen jälkeen n. 1 %/kk [11]. Kokkolan auman kuiva-ainetappiot ovat pienemmät kuin edellä esitetyt arvot, sillä aumaan puhallettava kuivausilma alentaa auman kuiva-ainetappioita. Kuiva-ainetappioiden suuruuden arviointia vaikeuttaa kuivattavan materiaalin koostuminen useasta eri puupolttoaineesta sekä se, että polttoaine on laitettu aumaan useassa erässä pitkän ajan kuluessa. Kuiva-ainetappioiden suuruutta ja vaikutusta kuivauksen lopputulokseen on tarkasteltu kappaleessa 7. Kokkolan aumassa kuivattavat puupolttoaineet ovat kerroksittain, jolloin kunkin kuivattavan aineen kuivumisominaisuudet pätevät vain muodostuneen kerroksen alueella. Tämän seurauksena ilman liikkuminen aumassa ja auman kuivuminen ovat monimutkaisempia prosesseja kuin kuivattaessa vain yhtä ainetta. Kuvasta 1 nähdään puupolttoaineiden muodostamat kerrokset, jotka ovat kuvan perusteella erittäin tiiviitä. Kuvan 1 perusteella voidaan todeta, että polttoaineen tiheys on kasvanut huomattavasti saapumistilaan verrattuna. Kuva 1. Puupolttoaineiden kerrostuneisuus Kokkolan aumassa. 12

13 3 Teoriaa biopolttoaineen kuivumisesta 3.1 Biopolttoaineen kuivauksen edut Biopolttoaineen kuivauksella saavutetaan monia etuja. Kosteudella on erityisen suuri vaikutus biopolttoaineen lämpöarvoon, joka pienenee kosteuden lisääntyessä. Esimerkiksi biopolttoaineen kosteuden ollessa 50 % on sen lämpöarvo 8.1 MJ/kg. Jos edellä mainittu biopolttoaine kuivataan siten, että sen kosteus 20 %, on sen lämpöarvo 14.5 MJ/kg. Lämpöarvo nousee 6.4 MJ/kg eli n. 79 %. Kyseisellä lämpöarvon nousulla biopolttoaineen energiasisältö nousee kuitenkin vain n. 12 %. Energiasisällön nousu perustuu biopolttoaineen kokonaismassaa kohti lasketun vesimäärän pienenemiseen. Kuivaamalla biopolttoaineen lämpöarvo siis paranee ja tällöin saman tehon aikaansaamiseksi tarvitaan vähemmän biopolttoainetta kuin kosteaa polttoainetta käytettäessä. Kuivatulla biopolttoaineella voidaan korvata esim. hiiltä tai turvetta, jolloin voimalaitoksen kiintoainepäästöt ja erityisesti hiilidioksidipäästöt pienenevät, sillä biopolttoaineen polton ei katsota aiheuttavan CO 2 -päästöjä. Biopolttoaineen kuivauksella vähennetään polttoaineen laatuvaihteluja. Tällöin palamisprosessia on helpompi hallita ja polton hyötysuhde paranee. Lisäksi kuivatun biopolttoaineen kuiva-ainetappiot sekä mikrobitoiminta ovat pienempiä varastoinnin aikana. 3.2 Biopolttoaineen kosteuteen vaikuttavia tekijöitä Biopolttoaineen sisältämään kosteuteen vaikuttavat mm. puulaji, vuodenaika, hetkellinen säätila ja varastointiaika. Puulajeista keskimäärin suurin kosteus on männyllä, seuraavina tulevat kuusi, leppä ja haapa sekä viimeisenä koivu. Eri puulajien kosteudet vaihtelevat vuodenaikojen mukaan. Männyllä ja kuusella alhaisimmat kosteudet esiintyvät loppukesästä ja alkusyksystä. Koivulla ja muilla lehtipuilla alhaisimmat kosteudet esiintyvät syksyllä ja suurimman kosteuden ne saavuttavat juuri ennen lehtien puhkeamista eli loppukeväästä. Mänty ja kuusi saavuttavat suurimman kosteuden kasvukauden ulkopuolella eli talvella. [12] Varastointiajan vaikutusta tarkasteltaessa tulee huomioida käytetty varastointimenetelmä. Esimerkiksi rasikuivatuksessa biopolttoaine kuivuu melko hyvin huhtikuusta syyskuuhun saavuttaen %:n kosteuspitoisuuden. Syyskuun jälkeen ilma on niin kosteaa ja viileää, että biopolttoaine alkaa jälleen kostua. Tuulettamattomassa aumassa biopolttoaine ei yleensä kuivu, vaan sen keskimääräinen kosteus lisääntyy. Erittäin suotuisissa oloissa, kuten kuivassa ja tuulisessa kevätsäässä, voi polttoaine kuivua aumattuna. Auman korkeus ja leveys eivät saa olla kovin suuria, jotta tuuli kuivattaa myös auman sisäosia. [12] 3.3 Kostean ilman termodynamiikka Käsitteellä kostea ilma tarkoitetaan kuivan ilman ja vesihöyryn muodostamaa seosta. Kuiva ilma koostuu seuraavista kaasuista: typpi, happi, hiilidioksidi ja jalokaasut kuten esim. argon. 13

14 Ilman absoluuttisella kosteudella x tarkoitetaan ilmassa olevan vesihöyrymäärän suhdetta kuivailmamäärään ja se määritetään yhtälöllä [13] m m h x = (1) k.i. Ilman kokonaispaine p on kuivan ilman osapaineen p i ja vesihöyryn osapaineen p h summa eli p = p i + p h. Alhaisissa paineissa voidaan kuivaa ilmaa ja vesihöyryä käsitellä ideaalikaasuina, jolloin absoluuttinen kosteus saadaan kaavalla [13] p p - p h x = (2) h Tietyssä lämpötilassa oleva ilma voi sisältää tietyn maksimimäärän kosteutta. Jos ilmassa on enemmän kosteutta (vesihöyryä) kuin tämä maksimimäärä, ilmasta tiivistyy vettä, kunnes kyseinen maksimikosteus saavutetaan. Tätä maksimikosteutta vastaavaa vesihöyryn osapainetta kutsutaan kylläisen höyryn paineeksi ja se saadaan tarkimmin määritettyä höyrytaulukoista. Kylläisen höyryn paineeseen vaikuttaa myös hieman kuivan ilman osapaine, mutta sen merkitys on niin pieni, että se jätetään yleensä huomioimatta. [13] Ilman suhteellinen kosteus φ määritellään vesihöyryn osapaineen p h ja kyseistä lämpötilaa vastaavan kylläisen vesihöyryn paineen p h (T) avulla seuraavasti [13] p h ϕ = (3) ' p (T) h Ilman suhteelliseen kosteuteen vaikuttavat paikallinen säätila, vuodenaika, vuorokaudenaika ja paikalliset olosuhteet kuten tuulisuus, läheisyydessä olevat vesistöt ja kasvillisuus. Ilmakuivauksessa vaikuttaa lisäksi mm. ilmanottoaukon suunta ja korkeus maanpinnasta. Ilmanottoaukko kannattaa sijoittaa etelän puolelle, koska ilma on tällöin kuivempaa ja lämpimämpää sitoen paremmin vettä. Yleensä päivisin ilman suhteellinen kosteus on alhaisempi kuin yöllä. Lisäksi ilman suhteellinen kosteus on alhaisimmillaan kevättalvella ja alkukesästä. [12] Kuivauslaskelmissa käytetään usein kostean ilman entalpiaa kuivailmakiloa kohti laskettuna [13] h = h + xh, (4) k i h jossa h i on kuivan ilman entalpia ja h h vesihöyryn entalpia. Kun kuivan ilman entalpian nollapisteeksi valitaan 0-asteinen kuiva ilma, ja vesihöyryn entalpian nollapisteeksi 0-asteinen vesi, saadaan kostean ilman entalpia kuivailmakiloa kohden [13] h = c t + x(c t 2501), (5) k pi ph + 14

15 jossa c pi on ilman keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti ja c ph vesihöyryn keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti tarkasteltavalla lämpötilavälillä. Luku 2501 on veden höyrystymislämpö [kj/kg] lämpötilassa 0 C ja t on ilman lämpötila Celsius-asteina. [13] Kostean ilman tarkasteluissa yleisesti esiintyviä termejä ovat ilman kastepiste ja märkälämpötila. Kastepisteellä tarkoitetaan sitä kylläisen vesihöyryn lämpötilaa, jolla on sama höyrynpaine kuin tarkasteltavan kostean ilman. Märkälämpötila on tasapainolämpötila, jonka märkä kangas saavuttaa, kun se on asetettu ilmavirtaan. Märkälämpötila on samalla alin lämpötila, jonka märkä kangas voi saavuttaa veden haihtuessa ilmaan. Märkälämpötilan tarkka laskenta on esitetty lähteessä [13]. Märkälämpötila voidaan käytännön laskuissa määrittää riittävällä tarkkuudella käyttämällä nk. adiabaattisen kostutuksen energiatasetta. Tässä menetelmässä ilmaa kostutetaan häviöttömäksi oletetussa kostutuskammiossa, jonka energiataseeksi saadaan [13] m & h + m& h = m& h, (6) ki ki1 v v ki ki2 missä h ki1 on kostean ilman entalpia ennen kostutusta, h ki2 ilman entalpia kostutuksen jälkeen, m v kostutusveden massavirta ja h v kostutusveden entalpia. Käytännössä termi m v h v on pieni verrattuna yhtälön muihin termeihin ja se voidaan jättää huomioimatta. Tällöin saadaan kostutuksen energiataseen likiarvoksi [13] h ki1 = h ki2 (7) Yhtälön mukaan ilman entalpia ei siis muutu adiabaattisessa kostutuksessa ja käytännön laskuissa voidaan usein märkälämpötila määrittää riittävällä tarkkuudella Mollier-diagrammista ilman tilaa kuvaavan vakioentalpiasuoran ja kyllästyskäyrän leikkauspisteestä. [13] Ilman vedensitomiskyky voidaan määrittää ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden avulla. Kuvasta 2 nähdään, paljonko kilo ilmaa sitoo itseensä vesihöyryä ilman suhteellisen kosteuden muuttuessa. Kuvasta havaitaan, että alhaisilla suhteellisen kosteuden arvoilla lämpötilan nosto lisää ilman kuivauskapasiteettia huomattavasti. Ilman suhteellisen kosteuden ollessa korkea ei lämpötilan nostolla ole niin suurta merkitystä. Kuvassa olevat käyrät on piirretty soveltamalla adiabaattisen kostutuksen energiatasetta käyttäen kaavoja (2), (3), (5) ja (7). 15

16 Vedensitomiskyky [g/kg] Ilman suhteellinen kosteus 5 % 10 % 15 % 20 % 30 % 40 % Ilman lämpötila [ o C] Kuva 2. Ilman vedensitomiskyky ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona. Lisälämmön vaikutus kuivausilman ominaisuuksiin nähdään Mollier-diagrammista, joka on esitetty liitteessä 1. Ilman lämmityksessä absoluuttinen kosteus x pysyy vakiona. Ilman suhteellinen kosteus φ (piirroksessa f) pienenee, koska ilman lämmityksessä sen vedensitomiskyky kasvaa. Liitteessä 1 esitetyssä diagrammissa pisteet 1, 2 ja 3 kuvaavat Kokkolan aumassa tapahtuvaa kuivumista. Piste 1 esittää kuivausilman tilaa ennen lämmitystä, jolloin ilman suhteellisen kosteuden on oletettu olevan 70 % ja lämpötilan 16 C. Näiden perusteella saadaan ilman absoluuttiseksi kosteudeksi 0,008 kg H2O /kg ki. Tämän jälkeen pisteessä 2 ilma on lämmitetty 50 C:een absoluuttisen kosteuden pysyessä vakiona. Piste 3 esittää aumasta poistuvan ilman tilaa. Ilma on oletettu täysin kylläiseksi eli sen suhteellinen kosteus on 100 %. Ilman absoluuttiseksi kosteudeksi saadaan kg H2O /kg ki. Tällöin normaalissa tilanteessa saadaan kuivailmakiloa kohti poistettua vettä kg. Jos ilma lämmitetään 60 C:een (piste 4), on aumasta poistuva ilma edelleen täysin kylläistä ja sen absoluuttinen kosteus on 0,022 kg H2O /kg ki (piste 5). Tällöin saadaan vettä poistettua kuivailmakiloa kohti 0,014 kg eli vettä pystytään poistamaan 27 % enemmän. Kuivausilman massavirran pysyessä vakiona lyhenee kuivaukseen tarvittava aika. Ulkoilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden muuttuessa kuivurin kuivauskapasiteetti muuttuu (ks. kuva 2). 16

17 3.4 Kosteus Kiinteän polttoaineen kosteus voidaan ilmoittaa joko kokonaismassaa tai kuivamassaa kohti. Yleensä puhuttaessa polttoaineen kosteudesta tarkoitetaan kokonaismassaa kohti laskettua kosteutta, joka voidaan ilmoittaa seuraavasti [14]: m vesi w = 100 %, (8) m + m vesi kuiva jossa m vesi on polttoaineessa olevan veden massa ja m kuiva polttoaineessa olevan kuiva-aineen massa. Kuivamassaa kohti laskettua kosteutta kutsutaan kosteussuhteeksi u ja se voidaan ilmoittaa seuraavalla kaavalla [14] m vesi u = 100 % (9) m kuiva Kosteussuhdetta u vastaava kosteus w saadaan kaavasta [14] u w = 100 % (10) u ja kosteus voidaan muuttaa kosteussuhteeksi kaavalla [14] w u = 100 % (11) 100 w Kosteuslaskuissa on yleensä kannattavaa muuttaa kokonaismassaa kohti laskettu kosteus kosteussuhteeksi, koska kaavassa (9) nimittäjän arvo (m kuiva ) pysyy koko ajan vakiona. [14] 3.5 Kuivumismekanismi Vesi on sitoutuneena puuhun kahdella tavalla. Tuoreessa puussa ovat sekä soluseinämät että osittain myös soluontelot veden täyttämiä. Soluseinämän vettä sanotaan sidotuksi vedeksi ja soluonteloissa olevaa vettä vapaaksi vedeksi. Tuoreen puun kuivuessa ensin poistuu soluonteloiden vapaa vesi. Kun se on poistunut kokonaan, on saavutettu puusolujen kyllästymispiste. Puulajeillamme kyllästymispiste vastaa %:n kosteutta tuorepainosta laskettuna. [15] Konvektiokuivauksessa kuivausenergia saadaan kuivauskaasun sisältämästä lämmöstä. Kosteus poistuu vesihöyrynä kuivauskaasun mukana. Hetkellinen kuivumisnopeus voidaan esittää lämmön- ja aineensiirron perusteella seuraavasti: 17

18 dm dτ h ca(t g t s ) = = K pa(ps p v ), (12) r s jossa dm/dτ on hetkellinen kuivumisnopeus, h c lämmönsiirtokerroin, A lämmönsiirtopintaala, t g kuivauskaasun lämpötila, t s haihtumispinnan lämpötila, r s veden höyrystymislämpötila lämpötilassa t s, p s vesihöyryn kyllästyspaine lämpötilassa t s, p v vesihöyryn osapaine kuivauskaasussa ja K p aineensiirtokerroin. Yhtälön (12) perusteella kuivauksen toiminta perustuu haihdutuspinnalla ja kuivauskaasussa vallitsevaan höyrynpaine-eroon p s -p v. Yhtälössä esiintyvä kerroin K p ei ole vakio koko kuivauksen ajan, vaan kerroin pienenee hidastuvan kuivumisen alueella. Samalla erotus p s -p v suurenee, koska partikkelin kuivuessa sen lämpötila ja siten myös vesihöyryn kyllästyspaine kasvavat. Yhtälön perusteella kuivausta voidaan tehostaa mm. lisäämällä haihdutuspinnan alaa, suurentamalla aineensiirtokerrointa nostamalla kuivausilman nopeutta sekä käyttämällä lämmintä ilmaa, jolloin höyryn osapaine-ero (p s -p v ) kasvaa. [16] Joillakin materiaaleilla esim. keraameilla ja puutavaralla esiintyy kuivauksen yhteydessä huomattavaa kutistumista. Kutistumista aiheutuu siitä, että vapaan veden poistumisen jälkeen voimakas höyrystyminen kappaleen pinnasta aiheuttaa suuria kosteuseroja kappaleen sisäosan ja pinnan välille. Ilmiön on todettu aiheuttavan ylikuivumista ja huomattavaa kutistumista sekä näiden seurauksena suuria jännityksiä kappaleen sisäosiin. Jännitykset aiheuttavat kappaleen vääntymistä ja murtumista. Tällaisissa tapauksissa pitää kuivausilman olla kosteampaa, jolloin höyrystyminen tapahtuu kappaleen pinnasta hitaammin ja vältytään suurilta kosteuseroilta. Kuvassa 3 on esitetty tyypillisen hygroskooppisen (vettä sitovan) aineen kuivumiskäyrä. Ensimmäisessä vaiheessa kuivumisnopeus on vakio, kuivausolosuhteiden pysyessä vakiona. Tällöin kiinteän aineen pinnalla on vapaata vettä, joka haihtuu ensimmäisenä. Vakiokuivumisvaiheen lopussa alkaa kappaleen pintaan tulla kuivia kohtia eikä pinta ole enää veden kyllästämä. Kuivuminen hidastuu, sillä kappaleen sisäosista ei enää kulkeudu vettä kappaleen pinnalle yhtä nopeasti kuin sitä pinnalta haihtuu. Kohtaa, jossa vakiokuivumisjakso päättyy ja ensimmäinen hidastuvan kuivumisen jakso alkaa, kutsutaan ensimmäiseksi kriittiseksi pisteeksi. Ensimmäistä hidastuvan kuivumisen jaksoa kutsutaan kyllästymättömän pinnan kuivumisjaksoksi. Kuivauksen jatkuessa kappaleen pinta kuivuu ja haihtuminen siirtyy kokonaan kappaleen sisälle. Veden poistuminen hidastuu huomattavasti, sillä vesihöyryn virtaus- ja diffuusiovastus hidastaa veden siirtymistä kappaleen sisäosista pintaa kohti. Tätä viimeistä kuivumisjaksoa kutsutaan vetäytyvän haihdutuspinnan jaksoksi ja kohtaa, jossa jakso alkaa, toiseksi kriittiseksi pisteeksi. Kuivumiskäyrässä esiintyvät kriittiset pisteet eivät ole ainekohtaisia vakioita, vaan ne riippuvat kuivausolosuhteista ja kuivattavan materiaalin ominaisuuksista. [16, 17] 18

19 Kuva 3. Tyypillinen kuivumiskäyrä vakio kuivausolosuhteissa [17]. Kuivuminen päättyy, kun kappale on saavuttanut kosteustasapainon kuivausilman (kaasun) kanssa. Kuvassa 4 on esitetty puun tasapainokosteuden (jämviktsfuktkvot) riippuminen ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Kokkolassa kuivausilman lämpötila on 50 C. Jos tämän ilman suhteellinen kosteus on esim. 10 %, voidaan biopolttoaine kuivattaa kuvan perusteella hieman yli 2 %:n kosteuteen. [16, 17] Kuva 4. Puun tasapainokosteus ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona [18]. 19

20 4 Kokkolan Voima Oy:n kaukolämpölaitos 4.1 Kaukolämpölaitoksen esittely Kokkolan Voima Oy:n rakentama ja omistama biovoimalaitos (ks. kuva 5) sijaitsee Ykspihlajan teollisuusalueella Kokkolassa. Voimalaitos otettiin kaupalliseen käyttöön joulukuussa 2001 ja se käyttää pääpolttoaineinaan turvetta ja puuhaketta. Suunnittelussa kiinnitettiin erityistä huomiota joustavaan polttoainevalikoimaan sekä kattilan hyvään suorituskykyyn koko tehoalueella ilman korroosioriskiä. Lisäksi tavoitteena oli pienet investointikulut ja Kemiran rikkihappotehtaan sekundäärilämmön hyödyntäminen. Energiatehokkuutta parannettiin kaukolämpöakulla sekä käyttämällä hyödyksi generaattorin, turbiinin ja syöttövesipumpun lämpöhäviöt palamisilman sekä rakennuksen lämmityksessä. Voimalaitoksen yksinkertaistettu prosessikaavio on esitetty liitteessä 2, josta käy ilmi myös tuorehöyryn arvot. [19, 20] Kuva 5. Ykspihlajan voimalaitos. Ykspihlajan voimalaitos tuottaa täydellä teholla 50 MW kaukolämpöä ja 20 MW sähköä. Lisäksi kaukolämpöpiiriin saadaan hyödynnettyä lämmönsiirrinasemalla Kemira Oyj:n rikkihappotehtaan sekundäärilämpöä n. 15 MW:n verran. Tuotanto kattaa Kokkolan kaupungin kaukolämmöntarpeesta n. 97 % ja sähköntarpeesta n. 33 %. Kaukolämpöä on mahdollista tuottaa Kemiran sekundäärilämmöllä ja voimalaitoksella joko sarjaan tai rinnankytkettynä. Rinnankytkentää voidaan käyttää ulkoilman lämpötilan ollessa 5 10 C ja tällöin osa kaukolämmön paluuvedestä johdetaan lämmönsiirrinasemalle ja loput voimalaitokselle. Kylmemmillä ilmoilla käytetään sarjaan kytkentää, jolloin kaikki lämmönsiirrinasemalta tuleva vesi johdetaan voimalaitokselle lisälämmitettäväksi. Tällä tavoin saadaan mahdollisimman paljon sekundäärilämpöä hyödyksi ja sähköntuotanto tehostuu. [19] 20

21 4.2 Kaukolämpölaitoksen käyttö Voimalaitoksen kattila on Kvaerner Pulping Oy:n toimittama luonnonkiertoinen kupliva leijukerroskattila (BFB). Kattilassa voidaan polttaa erittäin kosteita tai muuten vaikeita polttoaineita. Tällä hetkellä käytettävästä polttoaineesta yli puolet on turvetta ja loput biopolttoainetta, mutta tavoitteena on nostaa biopolttoaineiden (puu + ruokohelpi) osuus ainakin 50 %:iin, jolloin turpeen käyttöä voidaan vähentää. Voimalaitos on käytössä tuntia vuodessa, josta n tuntia ajetaan osakuormalla. Kattilaa ajetaan ulkoilman lämpötilan ja kaukolämmön tarpeen mukaan. Laitoksen huippukuorma hoidetaan kuivemmalla polttoaineella, kun taas osakuormilla käytetään kosteampaa metsähakkeen, kuoren, sahanpurun ja turpeen seosta. Voimalaitoksen polttoainesuhde eri tehoilla on esitetty kuvassa 6. [19, 20] POLTTOAINESUHDE ERI TEHOILLA POLTTOAINE- SUHDE % VOIMALAITOKSEN TEHO % Bio (puu) Turve Kuva 6. Voimalaitoksen polttoainesuhde eri tehoilla [20]. Kesällä Ykspihlajan voimalaitoksen huoltoseisokin aikana Kemiran sekundäärilämmöstä saatavalla lämpöteholla katetaan Kokkolan kaupungin kaukolämmön tarve. Syksyllä ulkolämpötilan laskiessa voimalaitos käynnistetään. Keväisin ja syksyisin esiintyy tilanteita, jolloin Kemiran sekundäärilämmöstä saatava kaukolämpö ei riitä, mutta kuorma on liian pieni perinteiselle kattilalle. Tällöin voidaan hyödyntää Kvaernerin palkkiarinaan kehittämää, ilman syöttöön perustuvaa arinan palopinta-alan hallintaa, jossa aktiivista pinta-alaa säädetään yksittäisiä ilmapalkkeja sulkemalla. Tämä helpottaa huomattavasti osakuormilla ajoa. Kovilla pakkasilla (n. 15 C ) Kemiran sekundäärilämmöstä ja biokattilasta saatava lämpöteho ei riitä kattamaan kaukolämmön tarvetta ja tällöin pitää Kemiran raskasöljykattila (12 MW) ottaa käyttöön. Liitteen 3 yläkuvassa on esitetty kaukolämpötehon tarve ulkoilman lämpötilan funktiona. Lisäksi kuvasta näkyy, miten Kemiran lämmöntalteenoton, voimalaitoksen (VL) sekä öljykattilan (Kosila) tarve muuttuu ulkoilman lämpötilan muuttuessa. Kok- 21

22 kolan kaupungin kaukolämmön tarve on kasvanut, joten todellisuudessa palkit siirtyvät hieman oikealle. [19, 20] Kaupungin lämmöntarpeen vaihteluita tasataan voimalaitoksella olevalla m 3 :n kaukolämpöakulla, jonka hetkellinen purkausteho on 50 MW. Akun ansiosta tällä vastapainelaitoksella saavutetaan lauhdelaitoksen edut, sillä laitosta voidaan ajaa täydellä teholla päivällä, jolloin sähkön hinta on korkea. Yöllä sähkön hinnan ollessa alhainen akkua ladataan. [19] 22

23 5 Biopolttoaineen kuivauslaitteisto 5.1 Biopolttoaineauma Tutkimuskohteena oleva biopolttoaineauma sijaitsee Kokkolan Voiman omistaman voimalaitoksen piha-alueella. Aumassa kuivattava biopolttoaine koostuu hakkeesta ja sahojen sivutuotteista. Kuvassa 7 on esitetty kyseinen biopolttoaineauma ja kuvassa 8 näkyy kuivattavan biopolttoaineen rakenne. Auman mitat kuvassa 7 ovat: pituus n. 140 m, leveys n. 40 m ja korkeus n. 15 m. Auman korkeutta ei voida enää kasvattaa, sillä tuuli voimistuu siirryttäessä korkeammalle ja biopolttoaine leviäisi ympäristöön. Auman korkeuden ollessa korkeintaan 15 m voimalaitoksen ympärillä oleva metsä vaimentaa tuulen vaikutusta (ks. kappale 9). Auman täyttö aloitettiin maaliskuun puolivälissä ja se lopetettiin elokuun lopussa. Polttoaineen kuivaus aloitettiin myös maaliskuun puolivälissä ja kuivausta jatkettiin aina marraskuuhun asti. Kuivaus keskeytyi useita kertoja kesäkuuhun asti liian kylmien ilmojen takia. [20] Kuva 7. Biopolttoaineauma voimalaitoksen piha-alueella. 23

24 Kuva 8. Kuivattavan biopolttoaineen rakenne. 5.2 Polttoaineen käsittelyjärjestelmä Polttoaine tuodaan voimalaitokselle rekoilla ja punnituksen jälkeen rekat tyhjentävät polttoaineen joko suoraan vastaanottoaseman taskuihin tai pihalla olevalle purkausalueelle. Purkausalueelta polttoainetta siirretään tarvittaessa kauhakuormaajalla taskuihin. Vastaanottoasema on katettu, jotta polttoaineesta peräisin oleva pöly ei leviäisi ympäristöön. Taskuista on mahdollista syöttää neljää erilaista polttoainetta kolakuljettimelle, jossa eri polttoaineet esisekoittuvat. Lopullinen sekoittuminen tapahtuu seulonnassa ja murskauksessa. Voimalaitoksen ollessa käynnissä kolakuljetin vie polttoaineen seulontaan, mutta kesällä voimalaitoksen seisoessa kuljetin kasaa polttoaineen suureksi aumaksi voimalaitoksen pihalle (ks. kuva 7). Kuvassa 9 näkyy osa polttoaineen kuljetinlaitteistosta. Lisäksi kuvassa näkyy vasemmalla polttoaineen katettu vastaanottoasema sekä kuvan keskellä pihalla oleva purkausalue. [20] 24

25 Kuva 9. Polttoaineen kuljetinlaitteisto. Kuvassa 10 on esitetty polttoaineen kasauksessa käytetyt nk. polttoainesukat, joiden avulla polttoaine kasataan aumaan tasaisesti. Polttoainesukat ovat tavallista suojapeitteenä käytettävää pressua. Polttoaineaumaa ei voida täyttää tuulen nopeuden ylittäessä 4,5 m/s, sillä hienojakoisempi polttoaine leviäisi ympäristöön. [20] Kuva 10. Polttoaineen kuljetinlaitteisto ja polttoainesukat. 25

26 5.3 Polttoaineen kuivausjärjestelmä Polttoainetta kuivataan aumassa lämmitetyn ilman avulla. Ilmakanavana toimii 13 merikonttia sekä maan alla oleva putki, joiden päälle auma on kasattu. Ulkoilmaa puhalletaan kontteihin kahdella puhaltimella ja ilma lämmitetään n. 50 C:een Kemiran rikkihappotehtaan jätelämmön avulla. Liitteessä 4 on esitetty lämmönsiirrin- ja puhallinkonttien putkistopiirustus. [20] Ilmanjakolaitteisto Ilmakanavana käytetään merikontteja, joiden mitat on esitetty liitteen 3 alakuvassa. Jokaisen kontin pohjassa on kaksi reikää, joiden kautta ilma pääsee leviämään aumaan. Reikien koko ja sijainti on esitetty kuvassa 11. [20, 21] 0.5 m 0.3 m 2.44 m 6 m 3 m m Kuva 11. Kontti alhaaltapäin kuvattuna [20]. Kontteja on alussa peräkkäin 6 kpl, jonka jälkeen ilma johdetaan maan alla olevaa putkea pitkin toiselle puolelle, jossa on jälleen 6 konttia peräkkäin. Kuvassa 12 näkyy ilmakanavan rakenne. Ilma johdetaan auman keskiosan kohdalla maan alta, jotta aumaa päästään purkamaan kauhakuormaajalla myös ilmakanavan (konttien) toiselta puolelta, sillä polttoaineaumaa ympäröi kolme metriä korkea aita, jossa on vain yksi aukko (ks. kuva 7). Aumaa ympäröivä aita muodostuu betonielementeistä, joita on mahdollista siirtää tarvittaessa. 26

27 A u m a k u v a t t u n a v o i m a l a i t o k s e n p i h a l t a I l m a n o t t o k a n a v a 1.8 m 13.8 m Kuva 12. Kuivurin ilmakanava [20]. Jokaisen ilmakanavakontin alla on 4 betonipilaria (korkeus n. 250 mm) poikittain, jotta ilma pääsee leviämään esteettä aumaan. Konttien sivuille on ensin kasattu haketta ilman leviämisen parantamiseksi. Vasta tämän jälkeen on aumaan lisätty tiiviimpää hakkeen, kuoren ja sahanpurun seosta. Ilmakanavan alkupäähän on laitettu yksi kontti poikittain ilmanottokanavaksi, joka on esitetty kuvassa 13. [20] Kuva 13. Ilmanottokanavan suuaukko [20]. Puhaltimet on sijoitettu ensimmäisen kontin etuosaan. Puhaltimia on kaksi kappaletta ja niiden teho on 22 kw/puhallin. Kuivausjakson aikana puhaltimet ovat toiminnassa jatkuvasti ja ne käyvät koko ajan täydellä teholla. Kuvassa 14 on esitetty molemmat puhaltimet. 27

28 Kuva 14. Ilmapuhaltimet Lämmitysjärjestelmä Ilman lämmitys tapahtuu puhaltimien jälkeen olevassa kontissa kuumalla vedellä. Vesi on lämmitetty lämmönsiirrinasemalla Kemiran rikkihappotehtaan sekundäärilämmöllä. Lämmitysputket ovat kontissa rinnakkain ja niiden sijoittelu käy ilmi liitteen 4 vasemmalla olevasta peruskuvasta sekä leikkauksesta B-B. Leikkauksessa B-B olevissa putkissa kuuma vesi virtaa alemmassa ja kylmä vesi ylemmässä putkessa. Ilma lämmitetään neljässä vaiheessa ja poistuvan ilman lämpötilan asetusarvo on 50 C. Tulevan lämmitysveden lämpötila vaihtelee kuivausjakson aikana välillä C. Liitteessä 5 on esitetty kuivausilman lämmitysprosessin hetkellinen tilanne Kuvasta nähdään, että ulkoilman lämpötilalla 18 C tarvitaan lämmitystehoa 0.34 MW, jotta kuivausilman lämpötila on 49 C. Kyseinen lämmitysteho saavutetaan, kun tulevan kuuman veden lämpötila on 76 C, jäähtyneen veden lämpötila 36 C ja veden massavirta on 2,1 kg/s. Liitteen 5 prosessikuvassa näkyvällä pumpulla tehostetaan veden kiertoa putkistossa kylmillä ilmoilla veden jäätymisen estämiseksi. Kuvasta nähdään myös, että ilmaa voitaisiin lämmittää kesällä vieläkin enemmän, sillä tulevan veden virtausta säätävä kuristusventtiili on vasta 47 % auki. Tilanne muuttuu ulkoilman lämpötilan laskiessa, sillä tällöin tarvitaan enemmän lämmitystehoa lämmitysilman asetusarvon saavuttamiseksi. Liitteen 5 kuvasta havaitaan myös, miten veden lämpötila on laskenut kunkin lämmitysvaiheen jälkeen sekä miten lämpötila vaihtelee polttoaineaumassa eri korkeuksilla. Prosessikuvan oikeassa alalaidassa on esitetty osa polttoaineenkuljetinlaitteistosta. Kuvan keltaiset viivat kuvaavat auman kohdalla olevia kuljetinlaitteiston kannatintolppia (ks. kuva 7). Keskellä olevat kolme ylimmäistä lukemaa kertovat ulkoilman lämpötilan ja loput seitsemän kertovat auman sisäosan lämpötilan eri kohdissa. Alimmaisista lämpötilalukemista voidaan päätellä, että aumassa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden seurauksena syntyy lisää lämpöä, sillä osa lämpötiloista on ylittänyt aumaan puhallettavan ilman lämpötilan 50 C. [20] 28

29 6 Biopolttoaineaumalle tehdyt mittaukset 6.1 Kosteusnäytteiden määrittäminen Kosteusnäytteiden tarkoituksena oli selvittää aumassa olevan veden määrä kuivausjakson lopussa ja määrittää biopolttoaineen kosteusjakauma sekä auman pituussuunnassa että auman poikkileikkauksessa. Kosteusnäytteet otettiin kahdesta leikkauksesta kaivinkoneella Leikkaukset oli tarkoitus tehdä mahdollisimman keskelle sekä auman alkupäätä että loppupäätä mahdollisen epätasaisen kuivumisen selvittämiseksi. Koska kaivinkone ei aivan ylettynyt keskikohdille asti, jouduttiin leikkauskohdat siirtämään lähemmäs koko auman keskikohtaa, jolloin leikkausten välinen etäisyys pieneni. Kuvassa 15 on esitetty leikkauskohdat auman edestä eli voimalaitoksen pihalta katsoen ja kuvassa 16 on kaivinkone ottamassa näytettä. Liitteessä 6 on esitetty kaksi kuvaa näytteenottokohdasta. Leikkaus A Leikkaus B 16 m 20 m Kuva 15. Kosteusnäytteiden leikkauskohdat. Kuva 16. Näytteenottoa kaivinkoneella. 29

30 Kummastakin leikkauksesta otettiin neljätoista näytettä. Näytteet kerättiin kaivinkoneen kauhasta numeroituihin ämpäreihin, jonka jälkeen jokaisesta ämpäristä otettiin kaksi koe-erää, jotka kuivattiin uunissa absoluuttisen kuivaksi. Koe-erät punnittiin ennen ja jälkeen uunin laittoa, minkä perusteella saatiin jokaiselle näytteenottokohdalle (ämpärille) kosteuspitoisuus selvitettyä (ks. kaava 8). Kosteuspitoisuus kullekin kohdalle laskettiin koe-erien keskiarvona. Leikkauksista otettujen näytteiden sijainnit selviävät kuvasta 17. Näytteenotto onnistui melko hyvin. Tuloksissa esiintyvien näytteenottopisteiden sijainnit eivät ole tarkasti määritettyjä, sillä niiden määrityksessä ei ole käytetty apuna mittalaitteita. Sijainnit perustuvat kaivinkoneen kuljettajan tekemiin arvioihin. Näytteenottopisteen sijainnin virhe on n. ±1 m sekä pystysuunnassa että vaakasuunnassa. Tarkkuus on kuitenkin riittävä tähän tutkimukseen. Kosteusnäytteisiin sisältyy myös jonkin verran epävarmuutta näytteenottotavasta johtuen, mikä näkyy muutaman pisteen kosteudessa. Auman tiiveydestä johtuen näytteitä ei saatu otettua suoraan kauhaan vaan ensin kauhalla kaiverrettiin biopolttoainetta irti näytteenottokohdasta, jolloin se tippui muualta valuneen eri kosteuden omaavan biopolttoaineen päälle. Tämän jälkeen otettiin alas tippuneesta biopolttoaineesta kauhallinen tavaraa, josta puolestaan otettiin ämpäriin näyte. Tällöin on kauhassa saattanut olla kuivempaa tai kosteampaa tavaraa kuin itse näytteenottokohdassa, jolloin tuloksiin on tullut pientä epätarkkuutta. Tämä havaitaan kuvan 17 leikkauksesta B. Alimmalla näytteenottotasolla kaksi oikealle olevaa arvoa (49,7 % ja 40,6 %) ovat väärässä järjestyksessä. Aikaisempien tutkimusten sekä leikkauksen A perusteella ulommaisen pisteen pitäisi olla kosteampi. Kuvan 17 A-leikkauksessa on myös havaittavissa virhe. Auman keskellä kaksi keskimmäistä arvoa (34,4 % ja 29,7 %) ovat myös väärässä järjestyksessä eli ylemmän pisteen kosteuden pitäisi olla suurempi, sillä auman sisäosien kuivuessa kosteus siirtyy aumassa ulospäin. Tuloksista on selkeästi havaittavissa, miten auman sisäosista poistunut kosteus on tiivistynyt auman uloimpiin kerroksiin. Auman sisäosat ovat kuivuneet odotettua paremmin. Näiden kosteusmittausten perusteella ei voida varmasti osoittaa, että auman puhallinpäässä kuivuminen olisi tehokkaampaa kuin auman loppupäässä. Paremman kuvan asiasta saisi, jos näytteet otettaisiin lähempänä auman alku- ja loppupäätä. Kosteusnäytteistä olisi saanut tarkemman tuloksen, jos leikkauskohta olisi ensin kaivettu kokonaan auki ja sitten näytteet olisi kerätty jokaisesta kohdasta ämpäriin esim. tikapuilta tai seisomalla kaivinkoneen kauhassa. Ottamalla näytteet edellä esitetyllä tavalla olisi työturvallisuus kuitenkin vaarantunut. 30

31 15 m 13 m 46.4 Leikkaus A 10 m m m m m 5 m 9 m 13 m 17 m 20 m 15 m 13 m 57.3 Leikkaus B 10 m m m m m 5 m 9 m 13 m 17 m 20 m Kuva 17. Näytteenottopisteiden kosteudet [%] A- ja B-leikkauksessa. 31

32 6.2 Kostean pintakerroksen paksuuden selvittäminen Kostean pintakerroksen paksuuden määrittämisessä tarvittavat näytteet otettiin samasta kohdasta ja Kuvassa 18 on esitetty näytteenottokohdan sijainti aumassa sekä kuvasta 19 näkyy näytteenottopisteiden sijainti auman poikkileikkauksessa. Näytteenotto suoritettiin kaivamalla kädellä näyte aumasta ämpäriin. Ämpäreistä otetuista koe-eristä tehtiin voimalaitoksen laboratoriossa kosteusnäytteet, joiden tulokset on esitetty taulukossa m Näytteenottokohta "kasan takaa" Kuva 18. Näytteenottokohdan sijainti aumassa ylhäältä katsoen [20]. Näytteenoton syvyys 90 cm 60 cm 30 cm 5 cm 4 m A-linja 4 m B-linja 4 m C-linja 4 m D-linja Kuva 19. Näytteenottopisteet kostean pintakerroksen määrityksessä [20]. Tuloksista voidaan päätellä, että erittäin kostean pintakerroksen paksuus on melko tarkasti välillä cm. Tällä alueella polttoaineen kosteus on lisääntynyt merkittävästi verrattuna sen tulokosteuteen. Kosteuden lisääntymisen on aiheuttanut sateet sekä auman sisäosista poistuneen kosteuden tiivistyminen pintakerrokseen. 90 cm:n syvyydellä polttoaine on hieman kuivunut tai ainakin pysynyt tulokosteudessaan. Välillä cm polttoaine on hieman 32

33 kostunut tulokosteuteen nähden. Kostean pintakerroksen paksuus riippuu myös tarkastelukohdasta, sillä auman helma-alueilla kostean kerroksen paksuus on suurempi kuin 90 cm. Taulukko 1. Näytteenottokohtien kosteudet kostean pintakerroksen määrityksessä [20]. Kosteus [%] Näyte A 75,4 69,6 59,7 45,2 B 75,7 55,8 39,4 42,7 C 76,2 65,3 46,6 47,4 D 77,3 73,5 63,3 42,0 Keskiarvo 76,2 66,0 52,3 44,3 6.3 Auman sisäosien lämpötilojen mittaus Auman sisäosien lämpötilamittausten tarkoituksena oli selvittää miten korkeiksi sisäosien lämpötilat nousevat. Lämpötilamittaus tehtiin ja lämpötilat mitattiin viidestä eri kohtaa muutamalta eri korkeudelta. Mittauksessa käytetty lämpötila-anturi oli mm pitkä ja se työnnettiin jokaisessa mittauskohdassa kokonaan aumaan. Taulukossa 2 on esitetty mittauspaikat sekä lämpötilat. Jalkojen sijainnit selviävät kappaleen 5 kuvasta 7. Jalkojen numerointi on aloitettu auman vasemmasta päästä. [20] Tuloksista näkyy selvästi miten koneellisen kuivauksen seurauksena auman sisäosan lämpötilat eivät kohoa kovinkaan korkeiksi. Poikkeuksena on auman keskikohta, jossa on selkeästi havaittavissa miten biopolttoaineen hajoamisessa syntyvä lämpö nostaa auman sisäosan lämpötiloja. Auman keskikohdalla lämpötilat ovat korkeampia, koska auman sisällä ei siinä kohtaa ole konttia, vaan ilma kulkee putkea pitkin maan alla. Tällöin kuivuminen on hitaampaa ja lämpötilat korkeampia kuin muualla. Lämpötiloja voidaan verrata VTT:n Kokkolassa tekemään tutkimukseen (lähde [11]), jossa tutkittiin puupolttoaineiden muutoksia varastoinnissa ja kuivauksessa. VTT:n tutkimuksessa kaikkien koeaumojen sisäosien lämpötilat nousivat C:n välille. Taulukon 2 perusteella lämpötilat ovat matalampia kuin VTT:n tutkimuksessa, joten koneellinen kuivaus alentaa auman sisäosien lämpötiloja. 33

34 Taulukko 2. Auman sisäosien lämpötilat [20]. Lämpötila [ C] Korkeus maasta [m] Jalka nro. 2 Jalka nro. 3 Auman keskiosa Jalka nro. 4 Jalka nro. 5 0, , ,0 34,3 48,0 56,75 41,25 41,65 1, ,15 2,0 34,3 47,45 59, ,5 37, , , Auman lämpöarvo- ja tuhkapitoisuusnäytteet Kuiva-ainetappioiden todentamiseksi aumasta otettiin näytteet neljästä eri kohdasta, joille määritettiin lämpöarvot ja tuhkapitoisuudet, jotka on esitetty taulukossa 3. Näytteet on otettu leikkauksesta A (ks. kuva 17) neljän metrin korkeudelta. Näyte A3 on ensimmäinen näyte oikealla ja A13 ensimmäinen näyte vasemmalla. Taulukon 3 perusteella ei voida todeta kuiva-aineen tehollisen lämpöarvon laskeneen tai polttoaineen tuhkapitoisuuden lisääntyneen varastoinnin aikana. Pisteessä A12 pitäisi tuhkapitoisuuden olla suurempi kuin pisteessä A3, sillä polttoaine on kuivunut pisteessä A12 kauemmin. Näiden näytteiden perusteella ei voida siis tehdä johtopäätöksiä auman kuiva-ainetappioiden suuruudesta. Aumakuivauksessa syntyviä kuiva-ainetappioita on käsitelty tarkemmin kappaleessa 2. Taulukko 3. Auman näytteiden lämpöarvot ja tuhkapitoisuudet [20]. Taulukon 3 perusteella saadaan biopolttoaineen kuiva-aineen teholliseksi lämpöarvoksi keskimäärin 18,67 MJ/kg. 34

35 7 Kuivauksen vaikutukset voimalaitoksen toimintaan 7.1 Polttoaineen kerääminen aumaan Polttoaineen kerääminen aumaan on aloitettu maaliskuun 2004 aikana. Voimalaitokselle saapuvasta polttoaineesta osa on käytetty tarvittavan energian tuotantoon ja loput on siirretty aumaan (aluksi haketta) välisenä aikana. Voimalaitos oli kesäseisokissa ja tänä aikana voimalaitokselle tuotu polttoaine on kaikki kerätty aumaan. Voimalaitos käynnistettiin syyskuun alussa ja tämän jälkeen polttoainetta ei ole enää siirretty aumaan. Laskennan yksinkertaistamiseksi on voimalaitoksella toukokuun 2004 lopussa oleva biopolttoainemäärä oletettu siirtyneeksi tällöin aumaan. Tämän biopolttoainemäärän energiasisältö oli MWh. Tämä aiheuttaa kuivauksen tarkasteluun jonkin verran epätarkkuutta, sillä osa polttoaineesta on ehtinyt kuivua toukokuun loppuun mennessä. Osittain kuivuneen polttoaineen määrän selvittäminen jälkeenpäin on mahdotonta. 7.2 Auman vesimäärän laskenta Laskennan pohjana on käytetty voimalaitokselta saatuja tietoja. Tiedoista ilmenee mm. saapuvan polttoaineen määrä (t, i-m 3 ), energiasisältö ja keskimääräinen kosteus. Nämä tiedot on kerätty liitteeseen 7, jossa on erikseen tiedot hakkeelle ja sahojen sivutuotteille. Taulukosta selviää kuivausjakson aikana eri kuukausina aumaan tuotujen polttoaineiden määrät ja ominaisuudet. Toukokuun määrien on oletettu siirtyneen aumaan kuun lopussa. Toukokuun lopun energiamäärän perusteella on laskettu aumaan siirtyneen polttoaineen tilavuus käyttäen hakkeelle keskimääräistä arvoa 0,74 MWh/i-m 3 ja sahojen sivutuotteille 0,57 MWh/i-m 3. Arvot on laskettu voimalaitokselle tammi toukokuun välisenä aikana saapuneiden biopolttoaine-erien keskiarvoina. Polttoaineen kosteus ja lämpöarvo ovat myös kyseisen ajanjakson keskiarvoja. Polttoaineen massa toukokuun lopussa on laskettu energiamäärän ja lämpöarvon perusteella Auman vesimäärä kuivauksen jälkeen Haihtuneen vesimäärän laskenta perustuu otettuihin kosteusnäytteisiin (ks. kappale 6), joten vesi on haihtunut välisenä aikana. Tämän jälkeen vettä haihtuu vielä jonkin verran, sillä molemmat ilmapuhaltimet toimivat täydellä teholla lokakuun loppuun asti. 35